Page 114 - 《真空与低温》2025年第4期

张天平等：离子电推进发展历史回顾与启示（下） 529

结构失效和加速栅结构失效的工作寿命的可靠性 质新状态。基于产生带电粒子（离子）、加速带电
定量评估 [437，439-440] ，针对 DS-1 航天器工程应用给出 离子、定向喷射带电离子的火箭方式电推进工作
了加速栅结构失效为低风险的明确结论 [440] 。 机理研究，进而演化出 1945 年拉德首先提出的离
（2）在 NEXT-36 离子推力器完成 5 万多小时 子火箭概念，即今天所谓的离子电推进概念。
寿命试验后，JPL 基于截尾寿命试验结果及关键部 离子电推进概念形成后，通过简单计算就可以
组件磨损检测结果 [441-443] ，对离子推力器各失效模 确 定 电 推 进 的 推 力 很 小， 例 如 以 100% 电 效 率 、
式的极限寿命进行了可靠性定量评估 [429，443-445] ，基 30 000 m/s 喷射速度考虑，达到 1 N 的推力至少需
于离子推力器具体失效模式的不确定度评估更加 要 25 kW 的电功率，或者反过来说，100 kW 电功率
科学和量化，如 NEXT 的电子反流失效 [446] 。 只能产生 4 N 推力。如此小推力的离子电推进，在
（3）兰州空间技术物理研究所近年来分别对 航天器工程任务中能否应用就成为必须搞清楚的

LIPS-200、 LIPS-200A 和 LIPS-300s 离 子 推 力 器 的 首要问题，以美国的物理学家、火箭专家、航天器
工作可靠性进行了概率性定量评估，其中 LIPS- 任务设计师、轨道设计工程师等为代表的各国科
200 为单模式工作 [447] ，LIPS-200A 为双模式工作 [438] ， 研人员进行了长达近 10 年的研究，最终确定了离
LIPS-300s 为多模式工作 [328] ，这些定量评估结果为 子电推进作为空间推进应用的工程可行性。离子
工程应用提供了重要支撑。 电推进在空间应用时，高比冲能够带来航天器发射
（4）对离子推力器的关键部组件空心阴极，兰 质量的显著降低，但需要以很长时间工作为代价来
州空间技术物理研究所对六硼化镧发射体耗尽失 弥补推力很小的性能劣势。至于高功率电源问题，
效模式工作寿命的可靠性进行了定量评估，为进 当时都寄希望于核电源。
一步延长工作寿命及提高工作可靠性提供了技术 电推进被航天界普遍接受后，离子电推进进入
改进方案 [448-449] 。 到了第一个高速发展期，即初期发展阶段的前半周
（5）离子推力器可靠性定量评估方法还可以应 期，在 10 年的时间里完成了原理样机发明、工程
用于离子推力器的优化设计，兰州空间技术物理研 样机研制、飞行试验验证等工作。从离子电推进
究所分别进行了以提升工作性能 [450] 和延长工作寿 本身角度来说已经具备了航天器工程应用的基本
命 [451] 为优化目标的尝试。 条件，但空间电源问题和航天器本身需求严重制约

了工程应用的实施。一方面原来预期的空间核电
6 离子电推进发展总结与启示
源，距离工程实际应用还遥不可及，空间太阳能电

6.1 发展历史回顾总结 池替代方案需要大幅增大航天器质量和航天器设

6.1.1 离子电推进从初始概念到工程应用经历了 计实施的复杂性，也就是说当时航天器的功率水平
一个漫长过程 不足以支持应用电推进。另一方面当时的航天器
20 世纪初期戈达德和齐奥尔科夫斯基等提出 主要是卫星，卫星质量小、寿命短、自旋稳定，对电
电推进初始概念，显然不是凭空产生，而是依赖于 推进的应用需求很不迫切，电推进的技术效益和经
19 世纪末期电子的发现以及电子管的诞生。基于 济效益无法实现或者不明显。正是无法实现工程
电场能够加速电子达到很高喷射速度的事实，从已 应用的状况，才导致了初期发展阶段后半周期近
经熟知的化学火箭工作原理，自然而然地联想到通 10 年的离子电推进发展出现萧条和停顿。
过喷射高速电子流产生反作用推力的可能性。 20 世纪 80 年代，通信卫星进入高速发展期，
1907 年确认了带两个正电荷的 α 粒子是氦原子核， 模拟通信变数字通信，通信卫星发射质量、通信容
1918 年卢瑟福（Rutherford）又发现了质子，并确认 量和工作寿命快速增长，世界各大卫星公司在通信
质子就是氢原子核。由此，基于加速电子的电推进 卫星领域的竞争态势日益激烈，通信卫星应用电推
概念很快演化为基于加速带电粒子的电推进概念。 进的技术效益和经济效益凸显。在这样的背景条
19 世纪 30 年代开始研究的低气压气体放电 件下，美国修斯卫星公司基于原来的汞离子电推进
现象，到了 20 世纪 30 年代已经成为气体放电物理 研制基础，快速开发了 XIPS-13 和 XIPS-25 两款氙
学的重要分支学派，1928 年朗缪尔（Langmiu）在电 离子电推进产品，从 1997 年开始先后直接应用于
离气体中引入了等离子体概念，即宏观上呈现电中 自己的通信卫星平台，不仅显著提升了修斯公司通
性而微观上为离子、电子和中性原子混合体的物 信卫星的市场竞争力，而且产生了增加有效载荷、